JP2011138672A - Battery system heating method - Google Patents

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Keisuke Ohara
敬介 大原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve battery characteristics and a lifetime by preventing the deterioration of discharge characteristics caused by a low temperature and the precipitation of lithium dendrite at the time of charging by heating uniformly a lithium ion battery while charging and discharging, and keeping a proper temperature. <P>SOLUTION: The battery system comprises a first nonaqueous electrolyte secondary battery 215 which has one of a first electrode out of a positive electrode and a negative electrode and a second electrode which has polarity different from the first electrode and has a first current collection part and a second current collection part, a second nonaqueous electrolyte secondary battery which has a third electrode having the same polarity as the first electrode and a fourth electrode which has a polarity different from the first electrode and has a third current collection part and a fourth current collection part, a charge and discharge circuit which connects the first battery and the second battery in series, and an AC circuit which connects the first current collection part, the second current collection part, the first capacitor, the third current collection part, the fourth current collection part and the second capacitor in order applies an AC voltage, and heats the first and second batteries. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、非水電解質リチウムイオン二次電池の放電特性ならび寿命を改善することができる電池システム加熱方法に関するものである。   The present invention relates to a battery system heating method capable of improving discharge characteristics and life of a non-aqueous electrolyte lithium ion secondary battery.

近年、リチウムイオン二次電池の性能の向上や、環境負荷低減のための要望から、使用用途が携帯電子機器からハイブリット自動車や電気自動車、電力貯蔵用電源等、応用分野が多岐に広がっている。二次電池に求められる性能としては、高エネルギー密度や長寿命、広い動作温度範囲などがある。   In recent years, due to demands for improving the performance of lithium-ion secondary batteries and reducing environmental burdens, the fields of use have expanded from portable electronic devices to hybrid cars, electric cars, power storage power supplies, and so on. The performance required for the secondary battery includes a high energy density, a long life, and a wide operating temperature range.

高容量化のためには負極材料として金属リチウムを用いることが最適であるが、一般に金属リチウムを負極として用いた場合には、充電時に生成するデンドライト状リチウムによる電池の内部短絡や、活物質と電解液の副反応とした課題を有し、安全性、寿命ともに十分な性能を得ることができなかった。これら問題は負極活物質にリチウムの吸蔵放出の電位が金属リチウムの析出電位より高い材料を用い、リチウムイオンを吸蔵放出させることによって解決されてきた。   In order to increase the capacity, it is optimal to use metallic lithium as the negative electrode material, but in general, when metallic lithium is used as the negative electrode, the internal short circuit of the battery due to dendritic lithium produced during charging, and the active material There was a problem as a side reaction of the electrolyte solution, and sufficient performance was not obtained in both safety and life. These problems have been solved by using, as the negative electrode active material, a material whose lithium occlusion / release potential is higher than the deposition potential of metallic lithium and occlude / release lithium ions.

ところが、これら材料を用いた場合においても、低温状態やハイレートで充放電した場合には内部抵抗よる分極によって、放電時には著しく容量が低下するといった問題が生じ、充電時にはリチウムの析出電位に達して前述のリチウム金属を用いた場合と同様にデンドライドが析出するため同様の問題を生じてしまう。   However, even when these materials are used, when charged / discharged at a low temperature or at a high rate, the polarization due to the internal resistance causes a problem that the capacity is significantly reduced at the time of discharge. Similar to the case of using lithium metal, dendrites precipitate, which causes the same problem.

また、零下20℃で放電する場合には、放電レート0.8Cにおいて、28.5℃と比較して4割程度の容量しか出すことはできず、本来の性能を発揮することができない。(例えば非特許文献1)
これらの問題を解決するため、比表面積を増大させる、導電剤を増加させる、電解液を低粘度化する、炭素材料のリチウムイオンの挿入脱離化可能な面方向を制御する、といった手法によって内部抵抗を低下させることで、低温下での性能低下を抑制する手段が示されている。(例えば特許文献1、特許文献2)
また、ヒーターや伝熱板等を用いることによって電池を外部から加熱・冷却し、使用に適した温度にすることで、問題を回避しようとする試みも示されている。(例えば特許文献3、4)
また、極板を均一に加熱するための手段として集電体に直流電流を流し、ジュール発熱させることで内部より加熱する手段も考案されている。(例えば特許文献5)
In addition, when discharging at 20 ° C. below zero, only about 40% of the capacity can be obtained at a discharge rate of 0.8 C compared to 28.5 ° C., and the original performance cannot be exhibited. (For example, Non-Patent Document 1)
In order to solve these problems, internal methods are used to increase the specific surface area, increase the conductive agent, reduce the viscosity of the electrolyte, and control the direction of the surface of the carbon material that can insert and desorb lithium ions. Means are shown for suppressing the performance degradation at low temperatures by reducing the resistance. (For example, Patent Document 1 and Patent Document 2)
In addition, attempts have been made to avoid the problem by heating and cooling the battery from the outside by using a heater, a heat transfer plate, and the like, so that the temperature is suitable for use. (For example, Patent Documents 3 and 4)
As a means for uniformly heating the electrode plate, a means for heating from the inside by applying a direct current to the current collector to generate Joule heat has been devised. (For example, Patent Document 5)

特開2006−309958号公報JP 2006-309958 A 国際公開第2006/25376号International Publication No. 2006/25376 特開2006−156024号公報JP 2006-156024 A 特開2008−47371号公報JP 2008-47371 A 特開2008−277196号公報JP 2008-277196 A

Journal of Power Sources 81-82 _1999. 867-871Journal of Power Sources 81-82 _1999. 867-871

しかしながら 比表面積の増大や導電材の増加をする場合には、活物質密度の低下を伴うため、電池のエネルギー密度の低下も伴ってしまうという問題ある。 However, when the specific surface area is increased or the conductive material is increased, there is a problem that the energy density of the battery is also decreased because the active material density is decreased.

また、電解液を低粘度化する場合は、誘電率の低下を伴うためリチウムイオンの解離や会合状態が変化し、イオン伝導度が低下してしまうという問題がある。
電池をヒーター等によって外部より加熱・冷却を行う場合は、樹脂性のセパレータ部や正極活物質として用いられる金属酸化物の熱伝導率が小さいため、積層方向への熱伝導性が悪く、加熱部と内部で温度差を生じてしまう。また、均一に目的の温度にするためには、時間がかかるといった問題を有している。
Further, when the viscosity of the electrolytic solution is lowered, there is a problem that the ion conductivity is lowered due to a change in dissociation or association state of lithium ions due to a decrease in dielectric constant.
When the battery is heated and cooled from the outside by a heater or the like, the thermal conductivity of the metal oxide used as a resinous separator or positive electrode active material is small, so the thermal conductivity in the stacking direction is poor, and the heating part This will cause a temperature difference inside. In addition, there is a problem that it takes time to obtain a desired temperature uniformly.

電池の特性改善のために直流電流を集電体に流してジュール発熱をさせる場合は、温度の均一性に優れているが、加熱中には電池の使用が不可能であるという問題がある。また、複数の電池を同時に加熱使用しようとする場合は、並列接続にならざるを得ず、電池を直列で使用する場合には、スイッチを各電池間に入れる必要があり、構造や制御が複雑になり経済性にも優れないという問題を有している。   When direct current is passed through a current collector for Joule heating to improve battery characteristics, temperature uniformity is excellent, but there is a problem that the battery cannot be used during heating. In addition, when using multiple batteries at the same time, it must be connected in parallel, and when using batteries in series, it is necessary to put a switch between each battery, making the structure and control complicated. And has a problem that it is not economical.

前記課題を解決するために、本発明は、正極および負極のうち一方の第1電極と、前記第1電極と異なる極性を有し、第1集電箇所および第2集電箇所を有する第2電極と、を有する第1の非水電解質二次電池と、前記第1電極と同一の極性を有する第3電極と、前記第1電極と異なる極性を有し、第3集電箇所および第4集電箇所を有する第4電極と、を有する第2の非水電解質二次電池と、前記第1電池および前記第2電池を直列に接続する充放電回路と、前記第1集電箇所、前記第2集電箇所、第1コンデンサ、前記3集電箇所、前記第4集電箇所、第2コンデンサとを順次接続し、交流電圧を印加し、前記第1および第2電池を加熱するための交流回路と、を有する電池システムに関する。
また、本発明は、前記第1電極と同一の極性を有する第5電極と、前記第5電極と異なる極性を有し、第5集電箇所および第6集電箇所を有する第6電極と、を有する第3の非水電解質二次電池と、第3コンデンサとをさらに有し、前記充電回路は、前記第3電池をさらに直列に接続し、前記交流回路は、前記第5集電箇所、前記第6集電箇所、第3コンデンサをさらに接続し、さらに前記第3電池を加熱するための電池システムに関する。
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a first electrode of one of a positive electrode and a negative electrode, a second electrode having a polarity different from that of the first electrode, and having a first current collecting location and a second current collecting location. A first non-aqueous electrolyte secondary battery having an electrode, a third electrode having the same polarity as the first electrode, a polarity different from that of the first electrode, and a third current collecting point and a fourth electrode A second electrode having a current collection point, a second nonaqueous electrolyte secondary battery, a charge / discharge circuit connecting the first battery and the second battery in series, the first current collection point, A second current collecting point, a first capacitor, the third current collecting point, the fourth current collecting point, and a second capacitor are sequentially connected, an AC voltage is applied, and the first and second batteries are heated. And an AC circuit.
The present invention also includes a fifth electrode having the same polarity as the first electrode, a sixth electrode having a polarity different from that of the fifth electrode, and having a fifth current collection location and a sixth current collection location, A third non-aqueous electrolyte secondary battery and a third capacitor, wherein the charging circuit further connects the third battery in series, and the AC circuit includes the fifth current collecting point, The present invention relates to a battery system for further connecting the sixth current collecting point and a third capacitor and further heating the third battery.

本発明によって、加熱と電池の充電もしくは放電と均一な加熱を同時に行うことが可能となり、低温状態に由来する電池の特性低下や寿命の低下を改善することが出来る。
本構成によって、リチウムイオン拡散と電子移動の周波数応答性の差を利用して、電池の状態にはなんら影響を与えず、直列に接続された電池を均一に加熱することが出来る。
According to the present invention, it is possible to simultaneously perform heating, charging or discharging of the battery, and uniform heating, and it is possible to improve deterioration of battery characteristics and lifetime due to low temperature conditions.
With this configuration, it is possible to uniformly heat the batteries connected in series without affecting the state of the battery by utilizing the difference in frequency response between lithium ion diffusion and electron transfer.

本発明の実施の形態における等価回路図Equivalent circuit diagram in the embodiment of the present invention 本発明の実施の形態における電池215構成図Configuration diagram of battery 215 in the embodiment of the present invention 本発明の実施の形態における電池315構成図Configuration diagram of battery 315 in the embodiment of the present invention 本発明の実施の形態における等価回路の電流経路図Current path diagram of equivalent circuit in the embodiment of the present invention 本発明の実施の形態における温度上昇速度グラフ図Temperature rise rate graph in the embodiment of the present invention 本発明の実施の形態におけるコール−コールプロット図Cole-Cole plot diagram in the embodiment of the present invention

以下本発明の実施の形態にかかる電池システム装置について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における電池システム装置109の等価回路図である。なお、図1の等価回路図内に記載の電池215および315は、非水電解質二次電池である。非水電解質二次電池215の正極リード209は、コンデンサ501を介して非水電解質二次電池315の正極リード309と接続されている。非水電解質二次電池215の正極リード219は、コンデンサ501を介して非水電解質二次電池315の正極リード309と接続されている。
非水電解質二次電池215の正極のリード抵抗220、230および負極のリード抵抗240は、集電体の長辺方向の抵抗と比べて、少なくとも1桁以上小さいことが望ましい。正極および負極のリードの抵抗が集電体の長編方向と比較して大きいと、当該箇所のジュール発熱の影響が大きくなり、加熱の均一性が損なわれるためである。これは、非水電解質二次電池315の正極のリード抵抗320、330および負極のリード抵抗340も同様である。
非水電解質二次電池215の負極リード210は、コンデンサ401の未接続側の端子に接続される。非水電解質二次電池215の負極リード210と非水電解質二次電池315の正極リード319は、交流電源108を介して並列に接続される。非水電解質二次電池315の負極リード310と非水電解質二次電池215の正極リード209は、正極のリード抵抗230を介して接続される。交流電源108は、スイッチ110を有していてもよいし、直流電源107とスイッチ111を有していてもよい。
図2は、非水電解質二次電池215の具体的な構成を表した図である。以降の図において同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。正極活物質206と正極集電体203からなる正極と、負極活物質207と負極集電体204からなる負極がセパレータ205を介して配置されており、これらをラミネート加工した電池外装ケース(以下、ラミネートケース)211内に設置し、ラミネートケース211内はリチウム塩を含む非水電解質(図示せず)が注液されている。
正極集電体203の両端から集電のための正極リード209、213が接続されている。集電体203の正極リード209の接続部分を第1集電箇所と、集電体203の正極リード213の接続部分を第2集電箇所と呼ぶ。負極集電体204の片端から集電のための負極リード210が接続されている。
使用する正極集電体203および負極集電体204の材質としては、使用する電位において電解液等と副反応を生じない材料がよい。また、集電体の長辺方向の抵抗と比べて、少なくとも1桁以上小さい範囲を 逸脱しないように電気抵抗率を制御するものがよい。
具体的にはアルミニウム、銅を主体とした純金属もしくは合金材料が好ましい。例えばアルミニウム合金の場合には、珪素、マグネシウム、銅、亜鉛の内の一種以上の元素が含まれる合金を使用することができる。銅の場合には 亜鉛、鉛、錫、珪素の内の一種以上の元素が含まれる合金を使用することができる。これらを用いることで、電気抵抗率ならびに強度を変更することが出来る。また、ステンレスやチタンといった材料も使用することが可能であるが、価格や量産性の観点からアルミニウムもしくは銅を主体としていることがより好ましい。
Hereinafter, a battery system apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of battery system device 109 according to Embodiment 1 of the present invention. The batteries 215 and 315 described in the equivalent circuit diagram of FIG. 1 are nonaqueous electrolyte secondary batteries. The positive electrode lead 209 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215 is connected to the positive electrode lead 309 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 315 via the capacitor 501. The positive electrode lead 219 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215 is connected to the positive electrode lead 309 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 315 via the capacitor 501.
The positive lead resistances 220 and 230 and the negative lead resistance 240 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215 are desirably at least one digit smaller than the resistance in the long side direction of the current collector. This is because if the resistance of the positive electrode and negative electrode leads is larger than the lengthwise direction of the current collector, the effect of Joule heat generation at the relevant part increases, and the uniformity of heating is impaired. The same applies to the positive lead resistances 320 and 330 and the negative lead resistance 340 of the non-aqueous electrolyte secondary battery 315.
The negative electrode lead 210 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215 is connected to the terminal on the unconnected side of the capacitor 401. The negative electrode lead 210 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215 and the positive electrode lead 319 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 315 are connected in parallel via the AC power supply 108. The negative electrode lead 310 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 315 and the positive electrode lead 209 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215 are connected via a positive electrode lead resistor 230. The AC power source 108 may include a switch 110, or may include a DC power source 107 and a switch 111.
FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215. In the subsequent drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. A positive electrode composed of a positive electrode active material 206 and a positive electrode current collector 203, and a negative electrode composed of a negative electrode active material 207 and a negative electrode current collector 204 are disposed via a separator 205, and a battery outer case (hereinafter referred to as a laminate case) obtained by laminating them. The laminate case 211 is filled with a non-aqueous electrolyte (not shown) containing a lithium salt.
Positive electrode leads 209 and 213 for current collection are connected from both ends of the positive electrode current collector 203. A connection portion of the current collector 203 with the positive electrode lead 209 is referred to as a first current collection location, and a connection portion of the current collector 203 with the positive electrode lead 213 is referred to as a second current collection location. A negative electrode lead 210 for current collection is connected from one end of the negative electrode current collector 204.
The material of the positive electrode current collector 203 and the negative electrode current collector 204 to be used is preferably a material that does not cause a side reaction with the electrolytic solution or the like at the potential to be used. It is also preferable to control the electrical resistivity so that it does not deviate from a range that is at least one digit smaller than the resistance in the long side direction of the current collector.
Specifically, pure metals or alloy materials mainly composed of aluminum and copper are preferable. For example, in the case of an aluminum alloy, an alloy containing one or more elements of silicon, magnesium, copper, and zinc can be used. In the case of copper, an alloy containing one or more elements of zinc, lead, tin, and silicon can be used. By using these, the electrical resistivity and strength can be changed. In addition, although materials such as stainless steel and titanium can be used, it is more preferable that aluminum or copper is mainly used from the viewpoint of price and mass productivity.

使用することのできる正極活物質206としては、リチウムイオンを挿入脱離することのできる材料であれば良く、種々の酸化物、硫化物などが挙げられる。例えば、酸化物としてはLiMOやLix+y2-yといった構造式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。ここで、Mとしてはニッケル、マンガン、コバルト、チタン、の内少なくとも一種が含まれていることが好ましい、また、遷移金属以外の元素、例えばアルミニウムや珪素が含まれていても良い。また、LiFePOやLiFe1−zMnPO、LiCoPOといった構造式で表されるオリビン構造を有するリチウムリン酸化物も挙げることが出来る。 As the positive electrode active material 206 that can be used, any material that can insert and desorb lithium ions may be used, and examples thereof include various oxides and sulfides. For example, examples of the oxide include lithium transition metal composite oxides represented by structural formulas such as Li x MO 2 and Li x + y M 2−y O 4 . Here, M preferably contains at least one of nickel, manganese, cobalt, and titanium, and may contain elements other than transition metals, such as aluminum and silicon. Moreover, Li x FePO 4 and Li x Fe 1-z MnPO 4 , Li x CoPO lithium phosphorus oxides may be cited having an olivine structure represented by the structural formula such as 4.

使用することのできる負極活物質207としては、正極活物質よりも低電位でリチウムイオンの挿入脱離を行うことのできる材料であれば良い。例えば、炭素を主体とする材料
、錫や珪素を主体とする合金材料及びその酸化物や、LiTi12に代表されるスピネル構造を有する金属酸化物が得に好ましい。
The negative electrode active material 207 that can be used may be any material that can insert and desorb lithium ions at a lower potential than the positive electrode active material. For example, a material mainly composed of carbon, an alloy material mainly composed of tin or silicon and an oxide thereof, and a metal oxide having a spinel structure typified by Li 4 Ti 5 O 12 are particularly preferable.

図3は、非水電解質二次電池315の構成図である。構成は非水電解質二次電池215と同様で、符号が300番台になっただけである。
図4は、図1の等価回路にスイッチを入れた時の電流経路を示す。電流経路301は、交流電流を印加した時の電流経路である。 電流経路302は、直流電流を印加した時の電流経路である。電池の加熱は、交流電源108から非水電解質二次電池215の負極リード210と非水電解質二次電池315の正極リード319との間に交流電流を印加することで行われる。電流の経路301を通じて交流電流を流すことで、非水電解質二次電池215の正極リード抵抗220が自身でジュール発熱し、電池を均一に加熱することができる。
通常、直流電源107には、電池の充電状態に伴い変化する電圧に対応するために昇圧回路ないしは耐圧回路、ノイズ除去回路が含まれており、交流電流による影響を受けない。電位の振幅は、必要な発熱速度から求められる実行電流値、集電体の抵抗値、コンデンサ容量及び印加される周波数で決まる。リチウムイオン電池の通常使用電圧が2.5Vから4.3V程度であることを鑑みると、電位振幅は0.3V以下であることが回路負荷の観点から望ましい。このことより交流電流印加時の電圧の振幅の値が0.3V以下となるように、コンデンサ容量並びに交流電流の周波数で制御される。ただし、電池の充電状態に影響を及ぼしてしまうため、コンデンサの容量は、電池の容量に対して10%以下の容量であることが望ましい。
その際の熱流は交流電流108の実行値と、各電極リードの抵抗値から求められる。必要な発熱速度は、材料の密度や比熱、電池構造や配置、周辺の対流状態、さらには使用用途に求められる立ち上がり速度等による。一方でリチウムイオン電池を充放電する際には、電子の移動と同時に、リチウムイオンが正極および負極材料中や非水電解質中を拡散して正極および負極間を移動する必要がある。このとき一般に律速となる拡散は、電解質中のリチウムイオン拡散であり、その周波数依存性は電荷移動に比べて遅いとされている。
このとき、電子の移動が追随することのできる周波数とリチウムイオンの拡散が追随できる周波数には大きな差が存在することがP.L MOSS et al / Journal of Power Sources,
189, 2009, P66-71 において報告されている。
つまり、リチウムイオンの拡散が追随することのできる限界の周波数 よりも高周波の交流電流を用いることで、電解液中のリチウムイオンの拡散が電位の変化に追随することができないため、電極活物質の充放電には何ら影響を及ぼさずに電池を加熱することができる。
実際に使用することの出きる周波数の下限値は以下の方法で見積もることができる。目的とする電池を交流インピーダンス法により実数部を横軸、虚数部を縦軸とするコール‐コールプロットを実施する。低周波側で測定されるワールブルグ・インピーダンスの45°の傾きが現れる基点の周波数を読み取ることで追随することのできる限界の周波数を見積もることができる。基点の周波数以上であれば十分にリチウムイオンの拡散の影響が小さく実用上問題はない。より好ましくは、リチウムイオンの拡散の影響度合いを小さくするために周波数が大きいほどよいが、交流電源のコスト的観点から100MHz以下であることが好ましい。
FIG. 3 is a configuration diagram of the nonaqueous electrolyte secondary battery 315. The configuration is the same as that of the non-aqueous electrolyte secondary battery 215, and only the reference number is in the 300s.
FIG. 4 shows a current path when the equivalent circuit of FIG. 1 is switched on. The current path 301 is a current path when an alternating current is applied. The current path 302 is a current path when a direct current is applied. The battery is heated by applying an alternating current from the AC power source 108 between the negative electrode lead 210 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215 and the positive electrode lead 319 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 315. By flowing an alternating current through the current path 301, the positive electrode lead resistor 220 of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215 generates Joule heat by itself, and the battery can be heated uniformly.
Usually, the DC power source 107 includes a booster circuit, a withstand voltage circuit, and a noise removal circuit in order to cope with a voltage that changes with the state of charge of the battery, and is not affected by the AC current. The amplitude of the potential is determined by an execution current value obtained from a necessary heat generation rate, a current collector resistance value, a capacitor capacity, and an applied frequency. Considering that the normal use voltage of the lithium ion battery is about 2.5V to 4.3V, it is desirable from the viewpoint of circuit load that the potential amplitude is 0.3V or less. Thus, the capacitor capacity and the frequency of the alternating current are controlled so that the value of the amplitude of the voltage when the alternating current is applied is 0.3 V or less. However, since it affects the state of charge of the battery, the capacity of the capacitor is preferably 10% or less of the capacity of the battery.
The heat flow at that time is obtained from the execution value of the alternating current 108 and the resistance value of each electrode lead. The required heat generation rate depends on the density and specific heat of the material, the battery structure and arrangement, the convection state in the periphery, and the rising speed required for the intended use. On the other hand, when charging / discharging a lithium ion battery, it is necessary to move between the positive electrode and the negative electrode by diffusing lithium ions in the positive electrode and the negative electrode material or in the nonaqueous electrolyte simultaneously with the movement of electrons. In general, the rate-determining diffusion at this time is lithium ion diffusion in the electrolyte, and its frequency dependency is considered to be slower than charge transfer.
At this time, PL MOSS et al / Journal of Power Sources, that there is a large difference between the frequency that the electron movement can follow and the frequency that the lithium ion diffusion can follow.
189, 2009, P66-71.
In other words, by using an alternating current with a frequency higher than the limit frequency that lithium ion diffusion can follow, the diffusion of lithium ions in the electrolyte cannot follow the change in potential. The battery can be heated without affecting charging / discharging.
The lower limit value of the frequency that can be actually used can be estimated by the following method. The target battery is subjected to a Cole-Cole plot by the AC impedance method with the real part as the horizontal axis and the imaginary part as the vertical axis. The limit frequency that can be followed can be estimated by reading the frequency of the base point at which the 45 ° slope of the Warburg impedance measured on the low frequency side appears. If the frequency is higher than the base frequency, the influence of lithium ion diffusion is sufficiently small and there is no practical problem. More preferably, the smaller the frequency, the better in order to reduce the degree of influence of lithium ion diffusion, but it is preferably 100 MHz or less from the viewpoint of the cost of the AC power supply.

図2の非水電解質二次電池のアルミニウム箔の正極集電体203正極活物質206、セパレータ205、負極活物質207、 銅箔の負極集電体204、およびアルミニウムのラミネートケース211の体積、比重、比熱を表1に示す。ラミネートケース211は、2枚使用している。図3の非水電解質二次電池315も同様の数値結果となる。    Volume and specific gravity of aluminum foil positive electrode current collector 203, separator 205, negative electrode active material 207, copper foil negative electrode current collector 204, and aluminum laminate case 211 of the non-aqueous electrolyte secondary battery in FIG. Specific heat is shown in Table 1. Two laminate cases 211 are used. The non-aqueous electrolyte secondary battery 315 in FIG.

Figure 2011138672
Figure 2011138672

表1より、非水電解質二次電池の全体積は、1.36×10−6 、全体の比熱(J/K)は、4.63 J/Kである。これら二つの非水電解質二次電池215、315を、容量0.05Fの二つのコンデンサ401、501とを用いて図4の構成の組電池を作製する。この組電池に対して交流電源108より周波数1300Hzにて0.3Vの振幅で交流電圧を印加する。このとき、交流の電位振幅により電流が流れる経路は、図4における電流経路301である。電池ひとつ当たりの抵抗は、正極集電体に依存し、その値は、アルミニウムの電気抵抗率3.3×10−8 mΩ、及び正極サイズにより0.0022Ωである。リード部分の抵抗は前記のように一桁以上小さいため、実質的に無視することができる。
このとき経路301に流れる電流の実効値、すなわち非水電解質二次電池215に流れる電流の実効値は32.2Aと算出される。よって、非水電解質二次電池215の発熱速度、すなわち仕事率(P)は、仕事率(P)=抵抗(R)×実効値(I)より2.28 Wとなる。仕事率2.28Wと全体比熱4.63 J/Kから図5の温度上昇速度グラフが導き出せる。
図5のグラフより、図4のような等価回路では、約20秒で10℃温度を上昇させることが可能であることがわかる。よって、加熱と電池の充電もしくは放電と均一な加熱を同時に行うことが可能となり、低温状態に由来する電池の特性低下や寿命の低下を改善することが出来る。追随することのできる限界の周波数は次のように見積もった。正極としてLi(Ni1/3Mn1/3Ni1/3)O2とポリフッ化ビニリデンと、アセチレンブラックからなる合材を15μm厚みのアルミニウム箔に塗布し、縦横ともに20mmの正方形に切り出したものを用gいた。負極として炭素材料とスチレン系結着材からなる合材を15μm厚みの銅箔に塗布し、縦横ともに21mmの正方形に切り出したもの用いた。電解液としてLiPF6の濃度が1.0Mとなるように、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートを体積比率で1対1の割合で混合した溶媒に溶かしたものを、セパレーターとして厚み16μmのポリエチレン製微多孔膜を用いて電池を作製した。作製した電池に±10mVの交流電位を印加し、コール‐コールプロットを測定した結果を図6に示す。周波数が50Hz以下の領域において、傾きが45度のワールブルグ・インピーダンスが現れており、50Hzを超える周波数であれば、リチウムイオンの拡散の影響が極めて小となり、電極活物質の充放電には何ら影響を及ぼさずに電池を加熱することができることがわかる。
本構成によって、リチウムイオン拡散と電子移動の周波数 応答性の差を利用して、電池の状態にはなんら影響を与えず、直列に接続された電池を均一に加熱することが出来る。
なお、図1では正極及び負極が平行に配置された構造を示したが、上記構成要件を満たす限り前記構造に限らない。例えば倦回構造を有している場合、外部よりヒーター等で熱印加した場合よりも温度の均一性の点でより顕著な差が見られ、本発明の電池システムを使用することが効果的である。
From Table 1, the total volume of the nonaqueous electrolyte secondary battery is 1.36 × 10 −6 m 3 , and the total specific heat (J / K) is 4.63 J / K. Using these two nonaqueous electrolyte secondary batteries 215 and 315 and two capacitors 401 and 501 having a capacity of 0.05 F, an assembled battery having the configuration shown in FIG. 4 is produced. An alternating voltage with an amplitude of 0.3 V is applied to the assembled battery from the alternating current power source 108 at a frequency of 1300 Hz. At this time, a path through which a current flows due to an alternating potential amplitude is a current path 301 in FIG. The resistance per battery depends on the positive electrode current collector, and the value thereof is 3.3 × 10 −8 mΩ of aluminum and 0.0022Ω depending on the positive electrode size. Since the resistance of the lead portion is one digit or more as described above, it can be substantially ignored.
At this time, the effective value of the current flowing through the path 301, that is, the effective value of the current flowing through the nonaqueous electrolyte secondary battery 215 is calculated as 32.2A. Therefore, the heat generation rate of the nonaqueous electrolyte secondary battery 215, that is, the power (P), is 2.28 W from the power (P) = resistance (R) × effective value (I e ). The temperature rise rate graph of FIG. 5 can be derived from the work rate of 2.28 W and the total specific heat of 4.63 J / K.
From the graph of FIG. 5, it can be seen that the equivalent circuit as shown in FIG. 4 can increase the temperature at 10 ° C. in about 20 seconds. Therefore, heating, charging or discharging of the battery, and uniform heating can be performed at the same time, and it is possible to improve deterioration of battery characteristics and lifetime due to the low temperature state. The limit frequency that can be followed was estimated as follows. As a positive electrode, a mixture of Li (Ni 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 ) O 2 , polyvinylidene fluoride, and acetylene black was applied to a 15 μm thick aluminum foil and cut into a 20 mm square both vertically and horizontally. Was used. As a negative electrode, a composite material composed of a carbon material and a styrene binder was applied to a copper foil having a thickness of 15 μm and cut into a square of 21 mm both vertically and horizontally. A polyethylene microporous membrane with a thickness of 16 μm as a separator was prepared by dissolving a solvent in which ethylene carbonate and propylene carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1 so that the concentration of LiPF6 was 1.0 M as the electrolyte. A battery was prepared using this. FIG. 6 shows the result of measuring the Cole-Cole plot by applying an AC potential of ± 10 mV to the produced battery. In the region where the frequency is 50 Hz or less, Warburg impedance with a slope of 45 degrees appears, and if the frequency exceeds 50 Hz, the influence of lithium ion diffusion is extremely small, and there is no effect on the charge and discharge of the electrode active material It can be seen that the battery can be heated without affecting.
With this configuration, the difference in frequency response between lithium ion diffusion and electron transfer can be used to uniformly heat batteries connected in series without affecting the state of the battery.
Although FIG. 1 shows a structure in which the positive electrode and the negative electrode are arranged in parallel, the structure is not limited to the above as long as the above-described constituent requirements are satisfied. For example, in the case of having a wound structure, a more remarkable difference is seen in terms of temperature uniformity than when heat is applied from the outside by a heater or the like, and it is effective to use the battery system of the present invention. is there.

また、リチウムイオン電池は高温になりすぎると電解液やSEIの分解反応を生じるため好ましくない。上記問題を回避するために電池表面の温度を逐次測定し、温度に応じて交流電流量を変化させる機能を有していても良い。その際の温度は0℃以上45℃以下が好ましい。0℃未満では十分な放電容量や寿命を得ることができず、45℃を超えると電解液やSEIの分解を生じ始めるためである。また、交流電流印加による加熱は、充電もしくは放電時の初期だけでも良い。その後は電池自体の内部抵抗によるジュール発熱で非水電解質二次電池の温度が上昇するため、初期以降は交流電流印加による加熱が不要になる場合もある。
上記は簡便ために、二つの二次電池と二つのコンデンサからなる場合について示したが、前記の用件を満たす限り電池の数は限定されるものではない。二次電池が2つ以上になっても2個の時と同様の効果が得られる。
In addition, when the temperature of the lithium ion battery becomes too high, the decomposition reaction of the electrolytic solution or SEI is caused, which is not preferable. In order to avoid the above problems, the battery surface temperature may be sequentially measured, and the AC current amount may be changed according to the temperature. The temperature at that time is preferably 0 ° C. or higher and 45 ° C. or lower. This is because if the temperature is less than 0 ° C., sufficient discharge capacity and life cannot be obtained, and if the temperature exceeds 45 ° C., decomposition of the electrolyte and SEI starts to occur. Further, heating by applying an alternating current may be performed only at the initial stage during charging or discharging. After that, since the temperature of the nonaqueous electrolyte secondary battery rises due to Joule heat generation due to the internal resistance of the battery itself, heating by applying an alternating current may be unnecessary after the initial stage.
Although the above has shown the case where it consists of two secondary batteries and two capacitors for the sake of simplicity, the number of batteries is not limited as long as the above requirements are satisfied. Even when there are two or more secondary batteries, the same effect as when two batteries are used can be obtained.

本発明にかかる電池システム加熱方法は、充放電と同時に電池を加熱することが可能であり、低温に起因する非水溶媒二次電池の特性低下や寿命の低下を抑制することが可能であり、特に寒冷場所における使用に対して有用である。   The battery system heating method according to the present invention can heat a battery simultaneously with charging and discharging, and can suppress a decrease in characteristics and a life of a non-aqueous solvent secondary battery due to a low temperature, It is particularly useful for use in cold places.

203、303 正極集電体
204、304 負極集電体
205,305 セパレータ
206、306 正極活物質
207、307 負極活物質
209、219、213、309、313、319 正極リード
210、310 負極リード
211、312 ラミネートケース
215、315 非水電解質二次電池
220、230、320、330 正極リードの抵抗
240、340 負極リードの抵抗
401、501 コンデンサ
107 直流電源
108 交流電源
301、302 電流経路
110、111 スイッチ
109 電池システム装置
203, 303 Positive electrode current collector 204, 304 Negative electrode current collector 205, 305 Separator 206, 306 Positive electrode active material 207, 307 Negative electrode active material 209, 219, 213, 309, 313, 319 Positive electrode lead 210, 310 Negative electrode lead 211, 312 Laminate case 215, 315 Nonaqueous electrolyte secondary battery 220, 230, 320, 330 Resistance of positive lead 240, 340 Resistance of negative lead 401, 501 Capacitor 107 DC power supply 108 AC power supply 301, 302 Current path 110, 111 Switch 109 Battery system device

Claims (2)

正極および負極のうち一方の第1電極と、前記第1電極と異なる極性を有し、第1集電箇所および第2集電箇所を有する第2電極と、を有する第1の非水電解質二次電池と、
前記第1電極と同一の極性を有する第3電極と、前記第1電極と異なる極性を有し、第3集電箇所および第4集電箇所を有する第4電極と、を有する第2の非水電解質二次電池と、
前記第1電池および前記第2電池を直列に接続する充放電回路と、
前記第1集電箇所、前記第2集電箇所、第1コンデンサ、前記3集電箇所、前記第4集電箇所、第2コンデンサとを順次接続し、交流電圧を印加し、前記第1および第2電池を加熱するための交流回路と、
を有する電池システム。
A first non-aqueous electrolyte 2 having a first electrode of one of a positive electrode and a negative electrode, and a second electrode having a polarity different from that of the first electrode and having a first current collecting location and a second current collecting location. Next battery,
A second non-electrode having a third electrode having the same polarity as the first electrode, and a fourth electrode having a polarity different from that of the first electrode and having a third current collecting location and a fourth current collecting location. A water electrolyte secondary battery;
A charge / discharge circuit for connecting the first battery and the second battery in series;
The first current collecting location, the second current collecting location, the first capacitor, the third current collecting location, the fourth current collecting location, and the second capacitor are sequentially connected, an alternating voltage is applied, and the first and An AC circuit for heating the second battery;
A battery system.
前記第1電極と同一の極性を有する第5電極と、前記第5電極と異なる極性を有し、第5集電箇所および第6集電箇所を有する第6電極と、を有する第3の非水電解質二次電池と、
第3コンデンサとをさらに有し、
前記充電回路は、前記第3電池をさらに直列に接続し、
前記交流回路は、前記第5集電箇所、前記第6集電箇所、第3コンデンサをさらに接続し、さらに前記第3電池を加熱するためのものである、
請求項1に記載の電池システム。



























A third non-electrode having a fifth electrode having the same polarity as the first electrode and a sixth electrode having a polarity different from that of the fifth electrode and having a fifth current collecting location and a sixth current collecting location. A water electrolyte secondary battery;
A third capacitor;
The charging circuit further connects the third battery in series,
The AC circuit is for further connecting the fifth current collecting point, the sixth current collecting point, and a third capacitor, and further heating the third battery.
The battery system according to claim 1.



























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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013004256A (en) * 2011-06-15 2013-01-07 Aisan Ind Co Ltd Battery control method, and battery control system
WO2013147292A1 (en) 2012-03-30 2013-10-03 三菱マテリアル株式会社 Battery with temperature adjustment function
CN107039708A (en) * 2016-11-29 2017-08-11 北京交通大学 A kind of Li-ion batteries piles low temperature self-heating method
WO2020238468A1 (en) * 2019-05-28 2020-12-03 宁德时代新能源科技股份有限公司 Heating method for rechargeable battery, control unit, and heating circuit

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013004256A (en) * 2011-06-15 2013-01-07 Aisan Ind Co Ltd Battery control method, and battery control system
WO2013147292A1 (en) 2012-03-30 2013-10-03 三菱マテリアル株式会社 Battery with temperature adjustment function
CN107039708A (en) * 2016-11-29 2017-08-11 北京交通大学 A kind of Li-ion batteries piles low temperature self-heating method
CN107039708B (en) * 2016-11-29 2019-08-02 北京交通大学 A kind of Li-ion batteries piles low temperature self-heating method
WO2020238468A1 (en) * 2019-05-28 2020-12-03 宁德时代新能源科技股份有限公司 Heating method for rechargeable battery, control unit, and heating circuit
US11515588B2 (en) 2019-05-28 2022-11-29 Contemporary Amperex Technology Co., Limited Heating method for rechargeable battery, control unit and heating circuit

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